Efecto del tiempo y concentración de sacarosa sobre la pérdida de agua y ganancia

de sólidos en la deshidratación osmótica de maca “lepidium peruvianum”

M. Alfaro, V. Cruz, Y. Sáenz, E. Vásquez D.

Escuela de Ingeniería Agroindustrial, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad Nacional de Trujillo, Trujillo - Perú

Entregado el 18 de marzo del 2009

Resumen

El propósito del presente estudio fue investigar la deshidratación osmótica de maca (“Lepidium peruvianum”) evaluando la influencia de

la concentración de azúcar ( 20 y 60 °Brix) y el tiempo de inmersión ( 30 y 300 min), en términos de ganancia de sólidos y pérdida de

agua. El análisis estadístico fue realizado con el diseño experimental DCCR, alcanzando un nivel de significación aceptable para las

variables independientes con respecto a las variables dependientes. Fue usada la metodología de superficie respuesta para el

procesamiento de los datos, encontrando valores óptimos para las variables independientes en función de las variables dependientes,

siendo éstos, 55% de concentración de azúcar con un tiempo de 260 minutos. En la zona óptima del proceso de deshidratacion, la pérdida

de agua varió entre 20 a 24 g agua/100g, y la ganancia de sólidos entre 14 a 17 g/100g.

El incremento del tiempo de inmersión y la concentración de solución tuvieron un efecto positivo en la ganancia de sólidos y la pérdida de

agua.

Palabras claves: Deshidratación osmótica; proceso osmótico; tratamiento osmótico; absorción de sólidos; ganancia de sólidos; papaya.

1. Introducción

En la actualidad, cada vez se hace más importante

para el consumidor ingerir alimentos que además de los

beneficios originales que este le pueda aportar le ayude en

el mantenimiento de su salud y en la prevención de

enfermedades. Por tal motivo, cada vez más, un buen

porcentaje de la producción mundial de frutas está siendo

utilizada en procesos de producción de alimentos

funcionales (Milacatl, 2003).

Son pocos los métodos de conservación que se

aplican a las hortalizas para prolongar su frescura y

principalmente se utiliza la refrigeración, el lavado y

desinfección, el curado o encerado, aún así tienen una

vida de mercadeo corta. En cambio cuando no es tan

importante conservar la frescura pero sí mantener las

características adecuadas para su consumo por tiempos

prolongados, se tienen disponibles otras tecnologías de

conservación que controlan la humedad de las hortalizas,

por ejemplo: el secado con aire caliente, la liofilización,

elaboración de conservas, la osmodeshidratación (García

y Riaño, 1996).

Durante el tratamiento osmótico, los dos mayores

flujos contracorriente ocurren simultáneamente. Debido a

la actividad del gradiente del soluto a través de la

membrana celular semi -permeable, flujos de agua del

producto entran al medio osmótico, mientras el soluto

osmótico es transferido del medio hacia el producto. La

lixiviación de los sólidos del producto (es decir los

azúcares, ácidos, minerales, vitaminas) hacia el medio es

el tercer fenómeno del traslado que puede afectar

características organolépticas y nutritivas, aunque es

considerado cuantitativamente despreciable (Dixon y Jen,

1977; Lazarides, 1994).

La mayor importancia de ganancia de los sólidos con

respecto a la proporción de remoción de agua y las

características de calidad del producto final ha atraído el

interés de una investigación extensa. Está demostrado que

el daño permanente en células vegetales (es decir, debido

al calentamiento, congelación/descongelación) resulta en

la captación extensiva de sólidos de la solución osmótica

(Lazarides y Mavroudis, 1995). Además de la

temperatura del proceso y la concentración de la solución

osmótica, el tamaño del soluto osmótico fue demostrado

que juega un papel central a la captación del soluto

(Lazarides et al., 1995). Finalmente, se ha sugerido un

revestimiento como un medio de prevenir la ganancia de

sólidos (Lenart y Piotrowski, 2001; Matuska, et al.,

2006).

La deshidratación osmótica, al igual que cualquier

otro proceso, requiere que se optimice con el fin de

minimizar costos y efectos indeseados en el producto

resultante. Optimizar es seleccionar la mejor alternativa

de un grupo específico de alternativas para un proceso

determinado y para ello se requiere, primero, de un

método que describa las alternativas potenciales del

proceso, y segundo, un criterio para decidir cuál de las

alternativas es la mejor (Lawson et al.).

Corzo et al. (2003), mediante la metodología de

superficie de respuesta llegó a optimizar la

deshidratación osmótica del melón (Cucumis melo,

variedad Edisto), cortado en forma cilíndrica, al concluir

que a una temperatura de 37.95ºC, concentración de

sacarosa de 41.60 ºBrix y a un tiempo de 132.30 min. Se

produce una pérdida de peso de 0,11 g/g, una pérdida de

agua de 0,3282 g/g y una ganancia de soluto de 12,3

°Brix/g.

Reyes et al. (2005) también utilizó la metodología de

superficies de respuesta para optimizar la transferencia de

masa ocurrida durante la deshidratación osmótica (DO)

de láminas de sardina buscando las condiciones óptimas

de un proceso, es decir las más deseables modelando la

pérdida de agua, pérdida de peso y ganancia de sal

ocurrida durante la deshidratación osmótica de láminas de

sardinas sometidas a diferentes condiciones de

concentración, temperatura y tiempo, y optimizando los

niveles de los factores que permitan tener las mejores

respuestas del proceso de deshidratación osmótica. Millan

et al. (2005), mediante un diseño experimental rotable,

estudio el efecto de cuatro variables de proceso

(concentración de la solución osmótica, tamaño de la

muestra de fruta, temperatura y tiempo de proceso) sobre

las manifestaciones macroscópicas de los fenómenos de

transporte de masa en la deshidratación osmótica de

banana (Musa sapientum), melón (Cucumis melo L.),

papaya (Carica papaya L.) y manzana (Malus sylvestris

miller), a fin de generar modelos empíricos que

permitieran predecir la pérdida de agua y la ganancia de

sólidos en tales substratos.

2. Materiales y Métodos

Materiales

- Balanza analítica, precisión 0.0001 g

- Estufa

- Termómetro

- Cronometro

- Maca "Lepidium peruvianum"

- Placas Petri

- Recipientes de plástico

- Recipientes de vidrio

- Agente edulcorante: Sacarosa

- Agua destilada

- Pelador

- Cuchillos

Métodos

Preparación y manejo de la muestra

La investigación fue realizada en el Laboratorio

Operacional de la Escuela de Ingeniería Agroindustrial,

de la de la Universidad Nacional de Trujillo, Sede

Trujillo a una temperatura de 20 ºC.

Los tubérculos de maca fueron adquiridos de un

mercado local “La Hermelinda”, los cuales estaban en

buenas condiciones.

El contenido de humedad de las muestras se realizó a

cada intervalo de tiempo, las muestras fueron depositadas

en placas Petri, las que fueron colocadas en una estufa a

115ºC por 5 horas hasta alcanzar un peso constante. Una

balanza analítica de precisión 0.0001 g fue utilizada para

medir este valor.

La ganancia de sólidos de las muestras se realizo

calculando su porcentaje de materia seca inicial, y por

diferencias con el peso de materia seca final se logro

calcular la ganancia sólidos.

Se realizará la optimización de las variables

concentración de sacarosa y tiempo de deshidratación del

proceso, que nos permita minimizar el contenido de

humedad y maximizar el contenido de sólidos.

Una vez que se obtuvo el producto fresco

seleccionado y caracterizado se procedió a pelarlo y

trocearlo en cubos de 1cm3. Aunque el peso inicial y los

sólidos fueron considerados en los cálculos, las muestras

fueron seleccionadas para obtener el mismo peso inicial,

dentro de un pequeño rango de variación (±0.9g), el

promedio de las muestras fue de 1.524.

Las muestras, luego de ser escaldadas, fueron

sumergidos en una soluciónes azucaradas entre 20g/100gr

y 60 g/100g.(temperatura ambiente del Laboratorio de

Agropecuarias), durante intervalos de tiempo entre 30 a

300 minutos, con agitación consistente en un masaje

manual cada media hora. Para cada período de tiempo ya

definido se determinaron los sólidos solubles totales

(g/100g) en una de las muestras que se encontraban en el

osmo-reactor; así como también el porcentaje de

humedad. Con estos valores y a partir de los siguientes

balances de masas se determinaron: la cantidad de agua

retirada durante el proceso (liberado por el tubérculo), la

masa final de la maca y el porcentaje de pérdida de masa

de la maca.

Nomenclatura

WL

SG

E

M

ms

Pérdida de agua (g/g materia seca inicial)

Ganancia de sólidos (g/g materia seca inicial)

Contenido de agua en el producto (g)

Masa del producto (g)

Materia seca en el producto (g)

T

Z

Tiempo (s)

Fracción másica de sólidos solubles (%)

Subíndices

o

t

Valor en el momento cero

Valor en el tiempo t

Soluciones osmóticas

Se prepararon cinco soluciones de azúcar a 60; 54.14;

40; 24.14; 20 g/100gr, éstas concentraciones se

obtuvieron mezclando agua destilada con azúcar en

porcentajes de peso – peso.

Las soluciones osmóticas fueron puestas en

recipientes de plástico que sirvieron como osmo-

reactores. Cada recipiente contenía 10 muestras. En total

fueron reportados 5 tiempos (30min, 69.54min, 165min,

260min, y 300min).

Las muestras fueron aseguradas mediante una malla

metálica para evitar que floten en la superficie de la

solución osmótica. Cada cierto tiempo (30min) se agitaba

manualmente para mantener la concentración constante

en el medio osmótico. El recipiente fue almacenado a

temperatura ambiente. La proporción en peso de la

solución y muestra fue aproximadamente 15:1 para

asegurar constante la solución a lo largo de cada paso del

proceso osmótico.

Métodos analíticos

La pérdida de agua (WL) y ganancia de sólidos (SG)

fueron expresados en g/g de masa seca inicial a fin de

explicar las diferencias de las concentraciones iníciales de

sólidos entre muestras. Los cálculos fueron hechos

usando el método gravimétrico, según las relaciones

siguientes:

O

TO

M

EEWL 100(%) (1)

O

ot

M

msmsSG 100(%) (2)

3. Resultados y discusiones

Tabla 1. Resultados de la deshidratación osmótica de “Lepidium

peruvianum”.

CONCENTRACION

DE AZUCAR

(g/100gr)

TIEMPO (seg)

PERDIDA

DE AGUA

(g /100g)

GANANCIA

DE SOLIDOS

(g /100g)

54,14 69,54 8,6931926 2,04908802

54,14 260,46 18,04962 8,24284113

24,14 69,54 6,71061863 2,18131706

24,14 260,46 8,08411762 2,51899356

20 165 3,72644605 2,32665066

60 165 20,5877572 11,730482

40 300 19,66207 8,65347999

40 30 5,71854696 2,56393391

40 165 7,23212182 3,04578682

40 165 7,49034009 3,17002002

40 165 7,51870907 3,62876493

Los resultados para los modelos de regresión indican

que son estadísticamente significativos para el factor

tiempo y concentracion.

La ausencia de error en el modelo de ajuste sugiere

que todos los modelos son válidos. Así, podríamos

concluir que éstos modelos describen adecuada y

correctamente el funcionamiento del proceso; tanto en

términos de extracción de agua como en ganancia de

sólidos.

3.1. Pérdida de agua (WL)

Se evaluó los efectos estimados de cada una de las

variables involucradas, así como de su interacción.

Contando con los efectos estimados, se procedió

a conocer los coeficientes de regresión del modelo

con lo cual se obtuvo el modelo matemático siguiente:

WL = 19,28964 - 0,68664C + 0,00955C2 - 0,09472T - 0,00024T2 + 0,00144CT

El modelo generado debía ser validado

estadísticamente por lo que se procedió a armar el Cuadro ANVA para cada uno de los factores y para el

modelo en general, mostrando el valor de significancia

(p) y el coeficiente de determinación (R2

), los cuales se

observan en la Tabla 2.

Tabla 3. Cuadro ANVA del modelado de la variable respuesta:

Perdida de agua.

Factor S.C. G.L C.M. F p R2

Regresión 272,4689465 2 136,234 12,0176 0,003889 0,90297

Error 90,68982096 8 11,3362

Totales 363,1587675 10

Según la Tabla 3, la pérdida de agua dependió del

tiempo. El efecto de éste factor se manifiesta porque WL

aumenta directamente con la raíz cuadrada del tiempo.

Esto concuerda con los resultados de estudios anteriores

(Hawkes y Flink, 1978).

La regresión lineal muestra la gran dependencia de

WL respecto del tiempo (R2=0.90297).

Barbosa Cánovas y Vega Mercado (2000),

concluyeron, que la mayor pérdida de agua por parte del

alimento, en el proceso de secado osmótico ocurre en las

primeras 6 horas, siendo las 2 iniciales las de mayor

velocidad de eliminación de agua. Esta tendencia cinética

también fue reportada por Nowakunda, Andrés y Fito

(2004) en osmodeshidratación de rodajas de banano. Lo

cual se confirma en este estudio en deshidratación de

maca.

Nieuwenhuijzen et al., 2001), manifestó que el uso de

solutos de alto peso molecular favorece la pérdida de

agua a expensas de la ganancia de sólidos (Spiazzi y

Mascheroni, 1997; Rastogi et al., 2002).

40 35 30 25 20 15 10 5

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

CONCENTRACION DE AZUCAR

0

50

100

150

200

250

300

350

TIE

MP

O

En la Figura1 se muestra la gráfica de la

superficie, mostrando en colores los rendimientos

esperados para cualquier combinación de las variables

independientes evaluadas.

Figura 1. Superficie respuesta de la variable: Perdida de agua.

Asimismo, se muestra la superficie de contornos,

en la cual se realizará la optimización del proceso de

deshidratación osmótica de maca respecto a la pérdida de

humedad, éste gráfico se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Superficie de contornos de la variable: Perdida de agua.

En el grafico de la superficie respuesta para la

variable dependiente de pérdida de agua se encontró que

el valor más óptimo de nuestros datos utilizados fue de

55% de concentración de azúcar con un tiempo de 260

minutos. tal como se muestra en la grafica de superficie

respuesta

3.2. Ganancia de sólidos (SG)

Se evaluó los efectos estimados de cada una de las

variables involucradas, así como de su interacción.

Contando con los efectos estimados, se procedió

a conocer los coeficientes de regresión del modelo

con lo cual se obtuvo el modelo matemático siguiente:

SG = 11,17253 -0,48215C+ 0,00600C2 - 0,03945T + 0,00006T2 + 0,00103CT

El modelo generado debía ser validado

estadísticamente por lo que se procedió a armar el Cuadro ANVA para cada uno de los factores y para el

modelo en general, mostrando el valor de significancia

(p) y el coeficiente de determinación (R2

), los cuales se

observan en la Tabla 4.

Tabla 4. Cuadro ANVA del modelado de la variable respuesta:

Ganancia de sólidos.

Factor S.C. G.L C.M. F p R2

Regresión 73,01357346 2 36,5067 7,50499 0,014611 0.81028

Error 38,91465334 8 4,86433

Totales 111,9282268 10

El ANVA muestra la gran dependencia de la

ganancia de sólidos del tiempo y de la concentración de

azúcar (R2=0.8102),

Heng et al. (1990) explicaron que el uso de

soluciones altamente concentradas favorables a mayor

WL puede reducir la SG, probablemente debido a una

capa de azúcar que se puede formar en la periferia de las

piezas del fruto como una barrera. Sin embargo,

Panagiotou et al. (1999) encontraron que a medida que se

incrementó la concentración del agente osmótico durante

la DO de banana, manzana y kiwi se acentuó la SG.

Rios et al. (2005) describe que en el comportamiento

de la deshidratación osmótica de frutos de papaya

hawaiiana en jarabe de sacarosa, se observa la

disminución de los sólidos solubles para el jarabe y la

pérdida de masa para el producto. También que en las

primeras cuatro horas las que tienen mayor incidencia en

la deshidratación del fruto, periodo en el cual la

transferencia de soluto desde el agente osmo-

deshidratante hacia el fruto y la transferencia de agua

desde este son altas. Sin embargo, se puede observar que

a medida que ocurre el proceso simultáneo de

transferencia de masa, la velocidad de intercambio tiende

a disminuir de forma progresiva hasta alcanzar un

equilibrio cinético en el cual no hay transferencia de

soluto ni de agua y en donde se alcanza la máxima

deshidratación del fruto.

La sacarosa es el agente de menor capacidad osmo-

deshidratante, lo cual de acuerdo a Moreira Azoubel y

Xidieh Murr (2000) se debe a que la sacarosa permite la

formación de una capa sub-superficial de azúcar, la cual

interfiere con los gradientes de concentración a través de

la interfase agente edulcorante-fruto actuando como una

barrera física contra la remoción de agua del fruto. Esta

formación de subcapa concentrada bajo la superficie de la

fruta en procesos de osmo-deshidratación ha sido

reportada por Lazarides, 2001; Lenart y Gorecka, 1989.

20 16 12 8 4

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

CONCENTRACION DE AZUCAR

0

50

100

150

200

250

300

350

TIE

MP

O

En la Figura 3 se muestra la gráfica de la superficie

obtenida con el software, mostrando en colores la

ganancia de sólidos esperados para la deshidratación

osmótica de maca.

Figura 3. Superficie respuesta de la variable: Ganancia de sólidos.

Asimismo, se muestra la superficie de contornos, en

la cual se realizará la optimización del proceso de

deshidratación osmótica de maca respecto a la ganancia

sólidos, éste gráfico se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Superficie de contornos de la variable: Ganancia de sólidos.

En el grafico de la superficie respuesta para la variable

dependiente de ganancia de sólidos se encontró que el

valor más óptimo de nuestros datos utilizados fue de 55%

de concentración de azúcar con un tiempo de 260

minutos. tal como se muestra en la grafica de superficie

respuesta.

3.3 Optimización del proceso de deshidratación

osmótica de maca

La optimización del proceso se realizó usando los

gráficos de superficie de contornos de las variables:

perdida de agua (regiones) y ganancia de sólidos

(líneas), tal y como se muestra en la Figura 5.

Figura --. Optimización del proceso de deshidratación osmótica de

maca

Según esta zona óptima de deshidratación,

obtendremos ganancias de solidos entre 12 a 15 g/100g

y perdidaas de agua entre 18 a 22 g/100 g. Para lograr

tal objetivo se necesitan concentraciones de azúcar por

encima de 53 y 58 % durante 250 – 300 minutos de

deshidratado

Se puede observar en las graficas de superficie respuesta

que la pérdida de agua y la ganancia de solidos aumentan

al incrementar el tiempo y la concentración de la solución

osmótica.

4. Conclusiones

Se puede observar que la pérdida de agua y la

ganancia de solidos aumentan al incrementar el tiempo y

la concentración de la solución osmótica.Los resultados

para los modelos indican que son estadísticamente

significativos para el factor tiempo y concentración de

azúcar.

Valores altos de R2 para WL y SG indican que estos

modelos explican en gran medida las diferencias

observadas en la extracción de agua y en la absorción de

sólidos en la deshidratación osmótica de maca.

La ausencia de error en el modelo de ajuste sugiere

que todos los modelos son válidos. Así, podríamos

concluir que éstos modelos describen adecuada y

correctamente el funcionamiento del proceso; tanto en

términos de extracción de agua como en ganancia de

sólidos.

Empleando el método gráfico se obtuvo una zona

óptima correspondiente a una concentración entre 53 y 58

%, un tiempo entre 250 y 300 min.

La zona óptima correspondiente a la sobre posición

de las gráficas de contorno de pérdida de agua y ganancia

de sólidos. se logra a una concentración de la solución

osmótica entre 53 y 58% de azúcar, tiempo de

deshidratación entre 250 y 300 min. En esta zona óptima,

la pérdida de agua varió entre 18 a 22 g agua/100g, la

ganancia de sólidos entre 12 a 15 g/100g.

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